Автореферат (Пространственно-временная структура сигналов в сцинтилляционных детекторах частиц и детекторах излучения Вавилова-Черенкова от широких атмосферных ливней)

Научно-исследовательский институт ядерной физикиимени Д.В. СкобельцынаМосковского Государственного Университетаимени М.В. Ломоносована правах рукописиПодгрудков Дмитрий АркадьевичПРОСТРАНСТВЕННО-ВРЕМЕННАЯ СТРУКТУРА СИГНАЛОВВ СЦИНТИЛЛЯЦИОННЫХ ДЕТЕКТОРАХ ЧАСТИЦ ИДЕТЕКТОРАХ ИЗЛУЧЕНИЯ ВАВИЛОВА-ЧЕРЕНКОВА ОТШИРОКИХ АТМОСФЕРНЫХ ЛИВНЕЙ.Специальность 01.04.23 – физика высоких энергийАВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание учёной степеникандидата физико-математических наукМосква, 20111Работа выполнена в отделе излучений и вычислительных методов Научноисследовательского института ядерной физики имени Д.В.

Скобельцына,г. Москва.Научный руководитель:Официальные оппоненты:Деденко Леонид Григорьевич,доктор физико-математических наук,профессор, физический факультет МГУКалмыков Николай Николаевич,доктор физико-математических наук,профессор, ОЧСВЭ НИИЯФ МГУРубцов Григорий Игоревич,кандидат физико-математических наук,ОТФ ИЯИ РАНВедущая организация:Институт космофизических исследований иаэрономии имени Ю.Г. Шафера СО РАНЗащита диссертации состоится «9» декабря 2011 года в ______ назаседании совета по защите докторских и кандидатских диссертацийД 501.001.77 при Московском государственном университете имени М.В.Ломоносова по адресу: 119991, Москва, Ленинские горы, д.1. стр.

5 («19-йкорпус НИИЯФ МГУ»), ауд. 2-15.С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке НИИЯФ МГУ.Автореферат разослан «__» ________ 2011 года.Учёный секретарьСовета по защите докторских икандидатских диссертацийД 501.001.77, профессор2С.И. СтраховаАктуальность темыВо всех крупных экспериментах (Haverah Park [1,2],ЯкуШАЛ [3], AGASA [4], Fly’s Eye [5], HiRes [6], Pierre AugerObservatory (Auger) [7,8]), проведенных ранее, былизафиксированы ливни с энергиями в области обрезания спектра(1019 – 1020 эВ).

Это может быть связано с наличием близкихисточников частиц таких энергий или особенностямиисточников. На рис. 1 приведены результаты основныхсовременных экспериментов по изучению космических лучей(КЛ) в области сверхвысоких энергий: ЯкуШАЛ [9,10], AGASA[4], HiRes [11], Auger [12]. Как видно из рисунка, нетдостаточного согласия между экспериментами относительноналичия высокоэнергетичного обрезания – эффекта ГрейзенаЗацепина-Кузьмина (эффект ГЗК) [13,14]. Расчётный спектр КЛ вприближенииодинаковых,равномернораспределённыхисточников со степенным неограниченным спектром приведён нарисунке 2. Эксперимент AGASA прямо полагает отсутствиеобрезания в области энергий более 3·1019 эВ и продолжениеРис. 1.

Спектры КЛ в области сверхвысоких энергий согласно результатамосновных экспериментов: Якутск (звёздочки) [9], AGASA (кружки) [4],HiRes I и II (чёрные и синие квадраты соответственно) [11] и Auger(треугольники) [12].3спектра с уменьшением наклона спектра. Эксперимент HiResнаблюдает эффект ГЗК [15], эксперимент Auger подтверждаетданные HiRes [16]. Данные Якустка не позволяют сделатьоднозначный вывод о поведении спектра в области энергий выше1020 эВ. Относительно полного потока КЛ с энергией более1018 эВ также существуют серьёзные расхождения. Разницамежду данными Якутского эксперимента и данными Auger дляэнергии 2·1018 эВ составляет 7-8 раз. Выводы о типе первичнойчастицы в этой области энергий также расходятся: AGASA иHiRes полагают первичными частицами протоны, Auger – ядражелеза.

Более того, из приводимых этими экспериментамиданных видно, что результаты Якутского эксперимента иэксперимента AGASA (оба – наземные массивы детекторов!)лежат выше данных HiRes и Auger (первый – это чистофлуоресцентныйдетектор,второйкалибруетсяпофлуоресцентным телескопам) на 30-35%. В экспериментеTelescope Array (гибридному эксперименту, откалиброванномупо флуоресцентному свету) наблюдается систематическое27-30% различие между энергией ливня, определённой пофлуоресцентным данным, и энергией, определённой по даннымназемных сцинтилляционных детекторов [17]. Т.е.

существуетпротиворечие между теоретическими предсказаниями иэкспериментальными данными.Таким образом, задача надёжного определения энергииШАЛ является актуальной. Традиционно энергию ШАЛоценивают по какому-либо ливневому параметру. Например, вэкспериментах на установках AGASA и ЯкуШАЛ для оценкиэнергии ШАЛ используется плотность энерговыделения всцинтилляционном детекторе на расстоянии 600 м от осивертикального ливня (параметр s0(600)) [4,18]. В экспериментеAuger для оценки энергии применяется параметр s38(1000) –плотность энерговыделения в детекторе на расстоянии 1000 м отоси ливня с зенитным углом 38 [19].

Так как необходимооценивать энергию ливней, падающих на детектор подпроизвольными углами, а также оценивать энергию ливней, длякоторых нет прямых данных на заданном расстоянии от осиливня, необходимо знать пространственную структуру ШАЛ.Для любого детектора частиц ШАЛ существует проблемаполной регистрации сигнала. Каждый детектор после4срабатывания (в детектор попадает частица, скорость счётапревышает некоторый уровень, приходит сигнал с другогодетектора и т.д.) регистрирует сигнал в течение некотороговремени, так называемого времени сбора (или временных ворот).Время сбора должно быть достаточно большим, чтобыпропустить по возможности все частицы от данного ливня.

Сдругой стороны, так как всегда присутствует фон от космическихлучейнизкойэнергииилилокальныхисточников(радиоактивность, световое загрязнение атмосферы и т.д.), времясбора сигнала не должно быть слишком большим, чтобыотношение сигнал/шум было всё ещё достаточно высоким.

Такимобразом, время сбора сигнала должно быть примерно равнымтолщине диска соответствующей компоненты ливня. На многихустановках (Haverah Park, Volcano Ranch, Якутск) временныеворота были выбраны порядка 2 мкс [18].А. Уотсон [20] предположил, что быстрый рост крутизныфункции пространственного распределения (ФПР) сигналов отливней с энергией более 3 1019 эВ, получаемой в эксперименте наЯкутской установке, объясняется слишком узкими временнымиворотами, что приводит к неполному измерению сигнала и, какследствие, к недооценке числа частиц и переоценке энергии.Также им указано, что в экспериментах на Haverah Park былизафиксированы сигналы с шириной более 2.2 мкс.Таким образом, моделирование пространственно-временнойструктуры ШАЛ необходимо для проверки корректности выбораширины временных ворот и принятой методики оценки энергии.В предыдущих работах [21, 22, 23, 24] рассматривалсявопрос о форме диска ШАЛ и о ширине импульсов сигналов вдетекторах.

Однако, расчёты проводились для иной областиэнергий или в рамках иных моделей.Цель диссертационной работы:Расчётывременныхимпульсовсигналоввсцинтилляционных детекторах Якутской установки отчастиц широких атмосферных ливней сверхвысокойэнергии.5Расчёты временных импульсов в детекторах излученияВавилова-Черенкова для Якутской установки от широкихатмосферных ливней в области сверхвысоких энергий.Моделирование пространственно-временной структурыразличных компонент (электронной, гамма, мюонной ичеренковской) широкого атмосферного ливня от различныхпервичныхядерврамкахразличныхмоделейвзаимодействия адронов высокой энергии.Анализвременныххарактеристикимпульсоввсцинтилляционных детекторах и детекторах излученияВавилова-Черенкова от ШАЛ в области сверхвысокихэнергий.Расчёты матриц сигналов в сцинтилляционных детекторах,детекторах излучения Вавилова-Черенкова и матрицплотностей мюонов в подземных сцинтилляционныхдетекторахмюоновдляинтерпретацииданных,наблюдённых на Якутской установке.В диссертации получены следующие новые результаты:В рамках модели QGSJet-II рассчитана пространственновременная структура импульсов в сцинтилляционныхдетекторах, используемых на якутской установке, от ливнейвысокой энергии (1018-1021 эВ).

Показано, что длярасстояний 100, 600, 1000 и 1500 м от оси ливня 95%сигнала собирается за 0,1, 1,0, 2,5 и 4 мкс соответственно.В рамках модели QGSJet-II рассчитана пространственновременная структура импульсов излучения ВавиловаЧеренкова от ливней высокой энергии (1018-1021 эВ).Показано, что для расстояний 100, 400, 600 и 1000 м от осиливня 95% сигнала собирается за 50, 100, 400 и 1000 нссоответственно.Показано, что в широком интервале расстояний (0 – 2000 м)наилучшей аппроксимацией переднего и заднего фронтовсигналов в сцинтилляционных детекторах и фронтовизлучения Вавилова-Черенкова от ливней высокой энергии6(1018-1021 эВ) является степенная функция вида σ = aRb спараметрами af = 2,1 10-6 и bf = 2,15 для переднего иab = 1,09, bb = 1,07 для заднего фронта сигналов всцинтилляционных детекторах и параметрами af = 1,63·10-3и bf = 1,71 для переднего и ab = 3,95·10-2 и bb = 1,43 длязаднего фронта излучения Вавилова-Черенкова отвертикального ливня от первичного протона с энергией 1018эВ.Рассчитаны ФПР сигналов для крупнейших ливней,зафиксированных Якутской установкой, использованныедля оценки энергии ШАЛ на основе сравненияэкспериментальных данных с рассчитанным набороминдивидуальных ливней.

Данным методом получены новыеоценки энергии (2·1020 эВ для протона и 1,7·1020 эВ для ядражелеза) самого мощного ливня, зафиксированного наЯкутской установке. Получены оценки энергии четырёхкрупнейших ШАЛ, зарегистрированных на Якутскойустановке, на основе трёх типов сигналов.Новизна основных результатов.Впервые в рамках моделей QGSJet-II и Sibyll на основепакета CORSIKA получены временные импульсы сигналов всцинтилляционных детекторах Якутской установки от частицШАЛ в области сверхвысоких энергий.Впервые в рамках моделей QGSJet-II и Sibyll на основепакета CORSIKA получены временные импульсы излученияВавилова-Черенкова для Якутской установки от ШАЛ в областисверхвысоких энергий.Рассчитана в рамках моделей QGSJet-II и Sibyll на основепакета CORSIKA новая форма фронта заряженных частиц иизлучения Вавилова-Черенкова ШАЛ в области сверхвысокихэнергий.Рассчитаны в рамках моделей QGSJet-II и Sibyll на основепакета CORSIKA матрицы сигналов в сцинтилляционныхдетекторах, детекторах излучения Вавилова-Черенкова иплотностей мюонов в подземных детекторах, которыенеобходимы для интерпретации результатов наблюденийЯкутской установки.7Получены оценки энергии для нескольких ШАЛ,зафиксированных на Якутской установке, на основерассчитанных матриц сигналов для разных компонент ливня.Практическая значимость результатов работы.Практическая ценность работы состоит в том, что данныерасчёты в рамках выбранных моделей позволяют проводитьболее корректную интерпретацию экспериментальных данных и,в частности, более корректно оценивать энергию ШАЛ иопределять природу первичной частицы.Практическая ценность работы состоит в реализации спомощью полученных баз данных импульсов сигналовсцинтилляционных детекторов и импульсов излучения ВавиловаЧеренкова расчётов параметров ШАЛ самых высоких энергий врамках многоуровневой схемы.Проведённые расчёты позволяют сделать вывод окорректности измерения сигналов в сцинтилляционныхдетекторах и детекторах излучения Вавилова-Черенкова наЯкутской установке.Научная ценность работы состоит в корректном расчётепространственно-временной структуры сигналов в реальныхдетекторах от ШАЛ высоких энергий, вызванных различнымипервичными частицами, в рамках различных моделейвзаимодействия адронов высоких энергий.Вклад автора.На базе оригинальной модификации пакета CORSIKA былразработан алгоритм получения функций источника частицнизкой энергии с произвольным порогом «частица низкойэнергии»-«частица высокой энергии» для произвольных моделей.С помощью модифицированного пакета CORSIKAполучены функции источника частиц низкой энергии от ливнейвысокой энергии для различных моделей взаимодействияадронов высокой энергии.Проведён анализ функций источника частиц низкой энергиив различных моделях и спектров этих частиц.Получены базы данных сигналов в сцинтилляционныхдетекторах Якутской установки от ливней малой энергии и базы8данных импульсов излучения Вавилова-Черенкова в детекторахЯкутской установки от ливней малой энергии.Полученывременныеимпульсысигналоввсцинтилляционных детекторах Якутской установки от ливнейсверхвысокой энергии.Получены временные импульсы в детекторах излученияВавилова-ЧеренковаЯкутскойустановкиотливнейсверхвысокой энергии.Апробация работы.Результаты работы докладывались на конференциях: CosmicRays International Seminar (2004, Catania, Italy), 29-th InternationalCosmic Rays Conference (2005, Pune, India), 28-й Всероссийскойконференции по космическим лучам (2006, Москва), Cosmic RayInternational Seminar (2007, Catania, Italy), 14-th InternationalSeminar «QUARKS-2006» (2007, Puschino), «Ломоносовскиечтения - 2008» (апрель 2008, Москва), конференция «40 лет ГЗК»(2009, Москва), 30-й Всероссийской конференции покосмическим лучам (2008, Санкт-Петербург), «Ломоносовскиечтения - 2009» (апрель 2009, Москва), 31-st International CosmicRays Conference (2009, Lodz, Poland).ПубликацииПо материалам диссертации опубликовано 10 статей вжурналах и 2 статьи в трудах конференций.Основныерезультатыдиссертацииопубликованывследующих статьях:1.